Pequeños ‘rascacielos’ para ayudar a las bacterias a convertir la luz solar en electricidad

• Este nuevo enfoque es muy competitivo frente a los metodos tradicionales de producción de bioenergía .

Investigadores de la Universidad de Cambridge han utilizado la impresión 3D para crear cuadrículas de ‘nano-viviendas’ de gran altura donde las bacterias pueden crecer rápidamente gracias a la luz del sol. Con esto han podido extraer los electrones desprendidos, sobrantes de la fotosíntesis, que podrían usarse para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.

Otros equipos de investigación han extraído energía de las bacterias fotosintéticas, pero los investigadores de Cambridge han descubierto que proporcionarles el tipo de hogar adecuado aumenta la cantidad de energía que pueden extraer en más de un orden de magnitud. El enfoque es competitivo frente a los métodos tradicionales de generación de bioenergía renovable y ya ha alcanzado eficiencias de conversión solar que pueden superar a muchos métodos actuales de generación de biocombustibles.

Sus resultados, publicados en la revista Nature Materials, abren nuevas vías en la generación de bioenergía y sugieren que las fuentes de energía solar ‘biohíbridas’ podrían ser un componente importante en un mix energético descarbonizado.

Las tecnologías renovables actuales, como las células solares a base de silicio y los biocombustibles, son muy superiores a los combustibles fósiles en términos de emisiones de carbono, pero también tienen limitaciones, como la dependencia de la minería, los desafíos del reciclaje y la dependencia de la agricultura y la tierra que deriva en la pérdida de biodiversidad.

“Nuestro enfoque es un paso hacia la fabricación de dispositivos de energía renovable aún más sostenibles para el futuro”, dijo la Dra. Jenny Zhang del Departamento de Química de Yusuf Hamied, quien dirigió la investigación.

Zhang y sus compañeros del Departamento de Bioquímica y el Departamento de Ciencia de los Materiales y Metalurgia están trabajando para repensar la bioenergía en algo que sea sostenible y escalable.

Las bacterias fotosintéticas, o cianobacterias, son la forma de vida más abundante en la Tierra. Durante varios años, los investigadores han intentado «reconectar» los mecanismos de fotosíntesis de las cianobacterias para extraer energía de ellas.

“Ha habido un cuello de botella en términos de cuánta energía se puede extraer realmente de los sistemas fotosintéticos, pero nadie ha entendido dónde estaba el cuello de botella”, dijo Zhang. «La mayoría de los científicos asumieron que el cuello de botella estaba en el lado biológico, en las bacterias, pero hemos encontrado que un cuello de botella sustancial está en realidad en el lado material».

Para crecer, las cianobacterias necesitan mucha luz solar, como la superficie de un lago en verano. Y para extraer la energía que producen a través de la fotosíntesis, las bacterias necesitan estar unidas a electrodos.

El equipo de Cambridge imprimió en 3D electrodos personalizados a partir de nanopartículas de óxido metálico que están diseñados para trabajar con las cianobacterias mientras realizan la fotosíntesis. Los electrodos se imprimieron como estructuras de pilares altamente ramificadas y densamente pobladas, como una pequeña ciudad.

El equipo de Zhang desarrolló una técnica de impresión que permite controlar múltiples escalas de longitud, lo que hace que las estructuras sean altamente personalizables, lo que podría beneficiar a una amplia gama de campos.

“Los electrodos tienen excelentes propiedades de manejo de la luz, como un apartamento de gran altura con muchas ventanas”, dijo Zhang. “Las cianobacterias necesitan algo a lo que puedan adherirse y formar una comunidad con sus vecinos. Nuestros electrodos permiten un equilibrio entre mucha superficie y mucha luz, como un rascacielos de cristal”.

Una vez que las cianobacterias autoensamblables estuvieron en su nuevo hogar ‘cableado’, los investigadores descubrieron que eran más eficientes que otras tecnologías bioenergéticas actuales, como los biocombustibles. La técnica aumentó la cantidad de energía extraída en más de un orden de magnitud con respecto a otros métodos para producir bioenergía a partir de la fotosíntesis.

«Me sorprendió que pudiéramos lograr los números que logramos; se han predicho números similares durante muchos años, pero esta es la primera vez que estos números se muestran experimentalmente», dijo Zhang. “Las cianobacterias son fábricas químicas versátiles. Nuestro enfoque nos permite aprovechar su ruta de conversión de energía en un punto temprano, lo que nos ayuda a comprender cómo llevan a cabo la conversión de energía para que podamos usar sus rutas naturales para la generación de combustibles renovables o químicos”.

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo de Investigación de Biotecnología y Ciencias Biológicas, Cambridge Trust, Isaac Newton Trust y el Consejo Europeo de Investigación. Jenny Zhang es miembro de BBSRC David Phillips en el Departamento de Química y miembro del Corpus Christi College, Cambridge.

Xiaolong Chen et al. 3D-printed hierarchical pillar array electrodes for high performance semi-artificial photosynthesis. Nature Materials (2022).. DOI: 10.1038/s41563-022-01205-5

Fuente: University of Cambridge